[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Carbonsäuresalzen
auf der Basis von Kupferkatalysatoren.
[0002] Aus der WO-A1-94/24091 sind Katalysatoren für die Herstellung von Aminocarbonsäuresalzen
bekannt, die durch Coprecipitation von Kupfer- und Zirkonsalzen mit Chrom-, Titan-,
Niob-, Tantal-, Vanadium-, Molybdän-, Magnesium-, Wolfram-, Cobalt-, Nickel-, Wismut-,
Zinn-, Antimon-, Blei- und Germaniumsalzen hergestellt wurden.
[0003] US-A-4 782 183 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Carbonsäuren in Gegenwart
von Kupferkatalysatoren, wie Raney-Kupfer, Kupfer prezipitiert auf einem Zirkoniumoxid-Träger
oder Kupfer, hergestellt durch thermische Zersetzung von Kupferformiat. Der Katalysator
enthält kein Eisen.
[0004] Diese Katalysatoren lassen jedoch zu wünschen übrig.
[0005] Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren
für die Herstellung von Carbonsäuresalzen bereitzustellen.
[0006] Demgemäß wurden ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Carbonsäuresalzen
gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man Alkohole der allgemeinen Formel
I
R-CH
2CH
2OH (I),
in der
- R
- -(OCH2CH2OH oder -NR1R2 und
- R1, R2
- unabhängig voneinander Wasserstoff, Phenyl, -CH2CH2OH, C1- bis C20-Alkyl oder C2- bis C5-Dialkylamino
bedeuten, mit Alkalihydroxid, Erdalkalihydroxid oder deren Gemischen in Wasser in
Gegenwart eines Kupferkatalysators, der
a) aus Kupfer besteht oder
b) 99,9 bis 10 Gew.-% Kupfer und 0,01 bis 90 Gew.-% Eisen und 0 bis 50 Gew.-% eines
oder mehrerer anderer Metalle enthält,
der gegebenenfalls dotiert ist, hergestellt durch Prezipitation von Kupfersalzlösungen
bzw. von Kupfer- und Eisensalzlösungen ggf. mit Salzen anderer Metalle durch Coprezipitation
mit einer Base und Reduktion mit Wasserstoff,
bei Temperaturen von 120 bis 280°C und einem Druck zwischen dem Dampfdruck des Wassers
und 75 bar umsetzt.
[0007] Die erfindungsgemäß eingesetzten Katalysatoren kann man wie folgt erhalten:
[0008] Man kann diskontinuierlich oder kontinuierlich eine Kupfersalzlösung in einer Prezipitation
(Fällung) oder eine Mischung aus einer Kupfersalz- und Eisensalzlösung und ggf. Salzlösungen
anderer Metalle in einer Coprezipitation (gemeinsame bzw. simultane Fällung) mit einer
Base im Bereich von pH 7 bis 14 bei Temperaturen von 5 bis 100°C, bevorzugt 15 bis
90°C, besonders bevorzugt 20 bis 85°C und einem Druck von 0,1 bis 5 bar, bevorzugt
Atmosphärendruck (Normaldruck) umsetzen, das Fällprodukt, in der Regel die entsprechenden
Hydroxide, beispielsweise mit Wasser waschen, bei 50 bis 250°C trocknen, gegebenenfalls
bei 300 bis 700°C calcinieren und anschließend bei 150 bis 300°C in einem Wasserstoffstrom
reduzieren. Die Reduktion kann jedoch auch vor der Calcinierung durchgeführt und ggf.
nochmals calciniert werden.
[0009] Die Kupfer- bzw. Kupfer-/Eisenkatalysatoren können nach der Coprezipitation oder
nach der anschließenden Trocknung oder nach der Calcinierung durch Tränken, stromloses
Abscheiden, elektrochemisches Abscheiden, CVD (chemical vapor deposition) oder Sputtern,
bevorzugt Tränken oder stromloses Abscheiden, bevorzugt Tränken dotiert werden. Zur
Dotierung eignen sich die als "andere Metalle" bezeichneten Elemente, die in Form
löslicher Salze oder als Metalle selbst aufgebracht werden können. Werden Salze aufgebracht,
wird in der Regel zur Fixierung nachcalciniert. Die Menge an Dotierung kann in weiten
Grenzen variieren, liegt aber in der Regel bei 0,001 bis 5 Gew.-%, bevorzugt 0,005
bis 3 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,01 bis 2 Gew.-%, insbesonders 0,02 bis 1 Gew.-%.
[0010] Als Basen eignen sich beispielsweise Alkalihydroxid, Erdalkalihydroxid, Alkalicarbonat,
Erdalkalicarbonat, Alkalihydrogencarbonat, Erdalkalihydrogencarbonat, Ammoniak, wasserlösliche
Amine oder deren Gemische. Als Alkalihydroxide eignen sich Lithiumhydroxid, Natriumhydroxid,
Kaliumhydroxid, Rubidiumhydroxid und Cäsiumhydroxid, bevorzugt Lithiumhydroxid, Natriumhydroxid
und Kaliumhydroxid, besonders bevorzugt Natriumhydroxid und Kaliumhydroxid. Als Erdalkalihydroxide
eignen sich Berylliumhydroxid, Magnesiumhydroxid, Calciumhydroxid, Strontiumhydroxid
und Bariumhydroxid, bevorzugt Magnesiumhydroxid, Calciumhydroxid, besonders bevorzugt
Calciumhydroxid. Als Alkalicarbonate eignen sich Lithiumcarbonat, Natriumcarbonat,
Kaliumcarbonat, Rubidiumcarbonat und Cäsiumcarbonat, bevorzugt Lithiumcarbonat, Natriumcarbonat
und Kaliumcarbonat, besonders bevorzugt Natriumcarbonat und Kaliumcarbonat. Als Erdalkalicarbonate
eignen sich Berylliumcarbonat, Magnesiumcarbonat, Calciumcarbonat, Strontiumcarbonat
und Bariumcarbonat, bevorzugt Magnesiumcarbonat, Calciumcarbonat, besonders bevorzugt
Calciumcarbonat. Als Alkalihydrogencarbonate eignen sich Lithiumhydrogencarbonat,
Natriumhydrogencarbonat, Kaliumhydrogencarbonat, Rubidiumhydrogencarbonat und Cäsiumhydrogencarbonat,
bevorzugt Lithiumhydrogencarbonat, Natriumhydrogencarbonat und Kaliumhydrogencarbonat,
besonders bevorzugt Natriumhydrogencarbonat und Kaliumhydrogencarbonat. Als Erdalkalihydrogencarbonate
eignen sich Berylliumhydrogencarbonat, Magnesiumhydrogencarbonat, Calciumhydrogencarbonat,
Strontiumhydrogencarbonat und Bariumhydrogencarbonat, bevorzugt Magnesiumhydrogencarbonat,
Calciumhydrogencarbonat, besonders bevorzugt Calciumhydrogencarbonat. Als wasserlösliche
Amine eignen sich beispielsweise Ammoniak, Methylamin, Dimethylamin, Trimethylamin,
Ethylamin, Diethylamin und Triethylamin, bevorzugt Ammoniak, Dimethylamin, Trimethylamin
und Triethylamin, besonders bevorzugt Ammoniak und Trimethylamin.
[0011] Als andere Metalle eignen sich alle Metalle der Gruppe IIa, IIIa, IVa, Va, VIa, IIb,
IIIb, IVb, Vb, VIb, VIIb und VIII des Periodensystems der Elemente wie Beryllium,
Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Bor, Gallium, Indium, Thallium, Germanium,
Zinn, Blei, Antimon, Wismut, Selen, Tellur, Silber, Gold, Zink, Cadmium, Scandium,
Yttrium, Lanthan, Titan, Hafnium, Vanadin, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram,
Mangan, Technetium, Rhenium, Cobalt, Nickel, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium,
Iridium und Platin sowie Cer, bevorzugt Nickel, Cobalt, Chrom, Zink, Lanthan, Ruthenium,
Rhodium, Palladium, Iridium und Platin, besonders bevorzugt Nickel, Cobalt, Zink und
Lanthan.
[0012] Als Salze von Kupfer, Eisen und der anderen Metalle eignen sich in der Regel alle
bevorzugt wasserlöslichen anorganischen und organischen Salze.
[0013] Als Kupfersalze eignen sich in der Regel alle bevorzugt wasserlöslichen anorganischen
und organischen Salze, beispielsweise Kupfernitrat, Kupferchlorid, Kupfersulfat, Kupfercarbonat,
Kupferhydrogencarbonat, Kupferhydrogensulfat, Kupferacetylacetonat oder Kupferacetat,
bevorzugt Kupfernitrat, Kupferchlorid, Kupfercarbonat oder Kupferacetat, besonders
bevorzugt Kupfernitrat, Kupferchlorid oder Kupferacetat.
[0014] Als Eisensalze eignen sich in der Regel alle bevorzugt wasserlöslichen anorganischen
und organischen Salze, beispielsweise Eisennitrat, Eisenchlorid, Eisensulfat, Eisenhexacyanoferrat,
Eisencarbonat, Eisenhydrogencarbonat, Eisenhydrogensulfat, Eisenacetylacetonat oder
Eisenacetat, bevorzugt Eisennitrat, Eisenchlorid oder Eisenacetat, besonders bevorzugt
Eisennitrat oder Eisenchlorid.
[0015] Als Salze anderer Metalle eignen sich in der Regel alle bevorzugt wasserlöslichen
anorganischen und organischen Salze, beispielsweise Nitrate, Halogenide, Sulfate,
Cyanide, Hydroxide, Carbonate, Hydrogencarbonate, Hydrogensulfate, Acetylacetonate
oder Acetate, bevorzugt Nitrate, Halogenide, Sulfate, Carbonate, Hydrogencarbonate
oder Acetate, besonders bevorzugt Nitrate, Halogenide, Carbonate oder Acetate.
[0016] Die Kupferkatalysatoren enthalten je nach Herkunft des Ausgangsmaterials ggf. Verunreinigungen.
Eine Aufreinigung erfolgt in der Regel nicht.
[0017] Die Kupfer-/Eisenkatalysatoren enthalten 99,9 bis 10 Gew.-%, bevorzugt 95 bis 20
Gew.-%, besonders bevorzugt 90 bis 30 Gew.-% Kupfer, 0,01 bis 90 Gew.-%, bevorzugt
3 bis 75 Gew.-%, besonders bevorzugt 5 bis 60 Gew.-% Eisen und 0 bis 50 Gew.-%, bevorzugt
0,1 bis 35 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,5 bis 25 Gew.-% eines oder mehrere andere
Metalle, also ein bis acht, bevorzugt ein bis fünf, besonders bevorzugt ein bis drei,
insbesondere ein oder zwei andere Metalle.
[0018] Besonders bevorzugt sind solche Katalysatoren, die neben Kupfer 1 bis 90 Gew.-% Eisen
enthalten und mit NaOH bei pH 10 bis 11,5 und bei einer Temperatur von 50 bis 80°C
gefällt, bei 180 bis 220°C getrocknet, bei 450 bis 550°C calciniert und bei 200 bis
300°C mit Wasserstoff reduziert wurden. Nach der Reduktion mit Wasserstoff enthielten
diese Katalysatoren einen Kupferoxidgehalt und/oder Cupritgehalt von 0 bis 35 Gew.-%.
Eine besondere Ausführungsform besteht darin, daß der Katalysator einen Aluminiumgehalt
von weniger als 4 Gew.-%, bevorzugt zwischen 3,99 und 0 Gew.-%, besonders bevorzugt
zwischen 3,99 und 1 Gew.-%, insbesondere zwischen 3,99 und 2 Gew.-%. Eine weitere
besondere Ausführungsform besteht darin, daß die Katalysatorherstellung ohne Zirkon
erfolgt.
[0019] Besonders geeignet für die Herstellung von Carbonsäuresalzen aus Alkoholen haben
sich solche erfindungsgemäß eingesetzten Katalysatoren erwiesen, die vor der Reduktion
mit Wasserstoff eine CuO-Kristallitgröße von 1 bis 75 nm, besonders bevorzugt 2 bis
50 nm aufweisen.
[0020] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Carbonsäuresalzen aus Alkoholen
kann man wie folgt durchführen:
[0021] Man kann in einem Druckbehälter, z.B. einem Autoklaven, einem Rohrreaktor, Umlaufreaktor
oder einer Rührkesselkaskade in jeder beliebigen Reihenfolge Alkohol, Base, Wasser
und Katalysator einfüllen. Die Base wird bevorzugt vor dem Einfüllen in Wasser gelöst.
Bevorzugt legt man den Katalysator vor und fügt den Alkohol getrennt von der wäßrigen
Base, oder den Alkohol gemeinsam mit der wäßrigen Base zu. Der verschlossene Druckbehälter
wird auf eine Temperatur von 120 bis 280°C, bevorzugt 140 bis 240°C, besonders bevorzugt
150 bis 220°C aufgeheizt, wobei sich ein Eigendruck des Systems aufbaut, der gegebenenfalls
erhöht wird. Die Umsetzung erfolgt bei einem Druck zwischen dem Dampfdruck des Wassers
und 75 bar, bevorzugt 2 bis 50 bar, besonders bevorzugt 3 bis 30 bar, insbesondere
4 bis 15 bar. In einer besonderen Ausführungsform des Herstellverfahrens enthält die
Reaktionsmischung weniger als 4000 ppm, bevorzugt zwischen 3999 und 0 ppm, besonders
bevorzugt zwischen 3999 und 1000 ppm, insbesondere zwischen 3999 und 2000 ppm Aluminiumionen.
[0022] Als Alkohole eignen sich unter anderen Ethylenglykol(derivate) wie Ethylenglykololigomere
oder polymere Ethylenglykole und Aminoalkohole wie Ethanolamin, Diethanolamin, Triethanolamin,
N,N-Bis(2-hydroxyethyl)isopropylamin oder Tetrakis(hydroxyethyl)1,2-propylendiamin.
Insbesondere eignen sich Alkohole der allgemeinen Formel R-CH
2CH
2OH (I).
[0023] Die Reste R, R
1 und R
2 in den Alkoholen der allgemeinen Formel (I) haben folgende Bedeutung:
- R
- -(OCH2CH2OH) oder -NR1R2, bevorzugt -NR1R2,
- R1, R2
- unabhängig voneinander
- Wasserstoff,
- Phenyl,
- -CH2CH2OH,
- C1- bis C20-Alkyl, bevorzugt C1- bis C8-Alkyl, besonders bevorzugt C1- bis C4-Alkyl wie Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, iso-Butyl, sec.-Butyl und
tert.-Butyl, insbesonders Methyl und Ethyl,
- C2- bis C5-Dialkylamino wie Dimethylamin, Ethylmethylamin, Diethylamin, Ethyl-n-propylamin,
Ethyl-iso-propylamin, Methyl-n-propylamin, Methyl-iso-propylamin, Methyl-n-butylamin,
Methyl-iso-butylamin, Methyl-sec.-butylamin und Methyl-tert.-butylamin, bevorzugt
Dimethylamin, Ethylmethylamin, Diethylamin, Ethyl-n-propylamin, Ethyl-iso-propylamin,
Methyl-n-propylamin und Methyl-iso-propylamin, besonders bevorzugt Dimethylamin, Ethylmethylamin,
Diethylamin und Ethyl-n-propylamin.
[0024] Aminocarbonsäuren bzw. ihre Salze (I) sind wertvolle Zwischenprodukte für Chelatbildner
z.B. in Detergentien, für Pharmazeutika, Agrarprodukte wie Pestizide sowie Lebensmittel-
und Futterzusatzstoffe. Oxycarbonsäuren bzw. ihre Salze (I), hergestellt aus Ethylenglykol(derivaten)
sind wertvolle Zwischenprodukte für z.B. Detergentien.
Beispiele
Beispiel 1
[0025] 2,5 Liter einer wäßrigen Lösung aus 593 g Natriumcarbonat wurde bei 70°C kontinuierlich
innerhalb von 20 Min. unter Rühren in 2,5 Liter einer wäßrigen Lösung aus 1536,3 g
Kupfernitrat bei einem pH von 7 (unter Zugabe von HNO
3) eingetragen. Nach 30 minütigen Nachrühren bei 70°C, Abfiltrieren, Waschen mit insgesamt
100 Liter Wasser, Trocknung 4 h bei 200°C wurde 4 h bei 230°C mit Wasserstoff reduziert.
[0026] Der erhaltene Katalysator wies einen Kupfergehalt von 96,5 Gew.-% und einen Cupritgehalt
von 3,5 Gew.-% auf. Die CuO-Kristallitgröße vor der Reduktion mit Wasserstoff betrug
25 nm.
Beispiel 2
[0027] 4 Liter einer wäßrigen Lösung aus 948,8 g Natriumcarbonat wurde bei 70°C kontinuierlich
innerhalb von 35 Min. unter Rühren in 2,5 Liter einer wäßrigen Lösung aus 1536,3 g
Kupfernitrat bei einem pH von 9 (unter Zugabe von HNO
3) eingetragen. Nach 30 minütigen Nachrühren bei 70°C, Abfiltrieren, Waschen mit insgesamt
100 Liter Wasser, Trocknung 4 h bei 200°C wurde 4 h bei 230°C mit Wasserstoff reduziert.
[0028] Der erhaltene Katalysator wies einen Kupfergehalt von 97 Gew.-% und einen Cupritgehalt
von 3 Gew.-% auf. Die CuO-Kristallitgröße vor der Reduktion mit Wasserstoff betrug
28 nm.
Beispiel 3
[0029] 2 Liter einer wäßrigen Lösung aus 660 g Natriumhydroxid wurde bei 70°C kontinuierlich
innerhalb von 20 Min. unter Rühren in 2,5 Liter einer wäßrigen Lösung aus 1536,3 g
Kupfernitrat bei einem pH von 11 (unter Zugabe von HNO
3) eingetragen. Nach 30 minütigen Nachrühren bei 70°C, Abfiltrieren, Waschen mit insgesamt
100 Liter Wasser, Trocknung 4 h bei 200°C wurde 4 h bei 230°C mit Wasserstoff reduziert.
[0030] Der erhaltene Katalysator wies einen Kupfergehalt von 92 Gew.-% und einen Cupritgehalt
von 8 Gew.-% auf. Die CuO-Kristallitgröße vor der Reduktion mit Wasserstoff betrug
21 nm.
Beispiel 4 (nicht erfindungsgemäß)
[0031] Analog Beispiel 3 wurde ein Fällgut hergestellt, abfiltriert und gewaschen. Anschließend
wurde das Fällgut 4 h bei 150°C getrocknet.
[0032] 50 g des getrockneten Fällgutes wurden entsprechend seiner Wasseraufnahme (1,00 ml/g)
mit 50 ml einer wäßrigen Lösung von 8,95 g Eisen-(III)-nitrat-hydrat innerhalb von
1 h getränkt. Anschließend wurde 4 h bei 120°C getrocknet, 2 h bei 500°C calciniert
und 4 h bei 230°C mit Wasserstoff reduziert.
[0033] Der erhaltene Katalysator wies einen Eisengehalt von 3 Gew.-% auf. Die CuO-Kristallitgröße
vor der Reduktion mit Wasserstoff betrug 20 nm.
Beispiel 5
[0034] 2274 g einer 40 Gew.-%igen wäßrigen Lösung von Natriumhydroxid wurde bei 70°C kontinuierlich
innerhalb 20 min unter Rühren in 2,5 Liter einer wäßrigen Lösung aus 1238,7 g Kupfernitrat
und 357,9 g Eisen-(III)-nitrat-nonahydrat eingetragen. Nach 30 minütigem Nachrühren
bei 70°C, Abfiltrieren, Waschen mit 100 Liter Wasser, Trocknung 4 h bei 200°C wurde
4 h bei 230°C mit Wasserstoff reduziert.
[0035] Der erhaltene Katalysator wies einen Kupfergehalt von 72 Gew.-% auf. Die CuO-Kristallitgröße
vor der Reduktion mit Wasserstoff betrug 9 nm.
Vergleichsbeispiel A
[0036] Analog Beispiel 19 aus der WO-A-94/24091 wurde ein Katalysator hergestellt.
Durchführung der Dehydrierungen
[0037] Ein Autoklav mit einem Innenvolumen von 300 ml wurde mit 40 g Diethanolamin, 32 g
Natriumhydroxid, 85 g Wasser und 4 g des jeweiligen Katalysators beschickt. Die Umsetzung
erfolgte bei einer Temperatur von 170°C und einem konstanten Druck von 9 bar bis zur
Beendigung der Wasserstoffbildung. Die freigesetzte Menge Wasserstoff wurde in Abhängigkeit
der Reaktionszeit aufgezeichnet. Nach beendeter Reaktion wurde das Reaktionsprodukt
analysiert. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefaßt:
Tabelle
| Katalysator |
Reaktionszyklen |
Reaktionszeit [min.] |
Umsatz [%] |
Selektivität [%] |
| Beispiel 3 |
1 |
164 |
99 |
98 |
| Beispiel 4 |
1 |
176 |
99 |
98 |
| Beispiel 5 |
1 |
108 |
99 |
98 |
| Vergleichsbeispiel A |
1 |
343 |
99 |
98 |
| Beispiel 3 |
10 |
212 |
99 |
95 |
| Beispiel 4 |
10 |
288 |
98 |
96 |
| Beispiel 5 |
10 |
281 |
99 |
96 |